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Die
Erfindung betrifft einen Schwingungserreger zum Erzeugen gerichteter
Schwingungen.
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Schwingungserreger
zum Erzeugen von gerichteten Schwingungen kommen in zahlreichen
Anwendungsgebieten zum Einsatz, beispielsweise in Bodenverdichtungsmaschinen
wie Vibrationsplatten oder Verdichtungswalzen. Sie haben gewöhnlich zwei
parallel nebeneinander liegende Unwuchtwellen, die über ein
Zahnradgetriebe mit gleicher Drehzahl gegenläufig angetrieben werden. Jede
Welle trägt
eine Unwuchtmasse, deren Phasenlagen zueinander gesteuert veränderbar
sind, so daß die
von den Unwuchtmassen erzeugte resultierende Kraftkomponente in
Richtung und Größe einstellbar
ist (siehe beispielsweise DE-A1-199 43 391).
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DE-A1-38
06 897 ermöglicht
neben der Änderung
von Schwingungsfrequenz und Schwingungsrichtung auch eine Einstellmöglichkeit
für den Schwingungshub
(m·r-Wert), indem auf
einer gemeinsamen Welle zwei relativ zueinander verstellbare Unwuchtmassen
angeordnet sind. DE-C2-195 47 043 vergrößert demgegenüber den
Abstand der Unwuchtmassen, um das Kippmoment auf das Gehäuse zu erhöhen, während DE-C2-100
38 206 für
die Verstellung der Phasenlage zwischen den Unwuchtwellen und für die Verstellung
der Phasenlage zwischen den Unwuchtmassen voneinander unabhängige Verstelleinrichtungen
vorsieht.
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Derartige
Schwingungserreger verwenden allesamt lineare (sinusförmige) Schwingungen,
um die erforderlichen Verdichtungskräfte zu erzeugen, d.h. sämtliche Unwuchtmassen
führen
eine gleichmäßige (symmetrische)
Hin- und Herbewegung aus, was dazu führt, daß mit jeder Umdrehung neben
einer in den Boden gerichteten Kraft stets auch eine gleich große, in die
entgegengesetzte Richtung wirkende Kraftkomponente erzeugt wird.
Folglich wird die gesamte Bodenverdichtungsmaschine stets auch nach
oben beschleunigt, so daß die
Maschine periodisch die Bodenhaftung verliert. Das Verdichtungsergebnis
kann dadurch – je
nach Bodenbeschaffenheit – sehr
unterschiedlich sein, insbesondere bei ansteigenden oder abfallenden
Bodenflächen. Überdies
ist die Lärmentwicklung
sehr groß,
was sich negativ auf den gesamten Umgebungsbereich auswirkt.
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Um
dem zu begegnen schlägt
DE-OS-1 634 246 eine Vibrationswalze mit mehreren Unwuchtwellen
vor, die in gleichem Drehsinn, aber mit unterschiedlichen, konstanten
Frequenzen umlaufen. Deren Verhältnis
beträgt
bevorzugt 1:2, wodurch die zum Boden gerichtete Kraftkomponente
der mit der schnelleren Frequenz umlaufenden Unwuchtmasse bei jedem
zweiten Umlauf mit der zum Boden gerichteten Kraftkomponente der
langsamer umlaufenden Unwuchtmasse zusammenfällt. Die daraus resultierenden
periodisch zum Boden gerichteten Kraftkomponenten sind damit deutlich
größer als
die periodisch in die entgegengesetzte Richtung wirkenden Kräfte, d.h.
die Vibrationswalze kann nicht mehr vom Boden abheben. Von Nachteil
hierbei ist allerdings, daß die
sich verstärkenden
Vibrationskräfte
nur bei jeder zweiten Umdrehung entstehen, d.h. die tatsächliche
Verdichtungsfrequenz richtet sich stets nach der Unwuchtmasse mit
der niedrigsten Frequenz. Einer Erhöhung dieser Grundfrequenz sind jedoch
rasch Grenzen gesetzt, weil die überlagerte höhere Frequenz
nicht in gleichem Maße
gesteigert werden kann.
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Das
gleiche Problem ergibt sich aus EP-A1-0 411 348. Die darin offenbarte
Bodenverdichtungsvorrichtung ermöglicht
zwar eine Veränderung
der Vibrationskraft während
des Betriebes, doch auch hier werden gleichförmige Drehbewegungen mehrerer Unwuchtmassen
mit unterschiedlichen Frequenzen überlagert, damit die periodisch
gegen den Boden wirkenden resultierenden Kräfte größer sind als die in der entgegengesetzten
Richtung wirkenden Kräfte. Alternativ
ist für
die Erzeugung der Vibrationskräfte die
Verwendung von nur einer Unwuchtmasse vorgesehen, die als Kolben
mit einer erzwungenen Bewegung hin- und herbewegt wird, wobei die
Beschleunigung der Masse in Abwärtsrichtung
größer ist,
als in Aufwärtsrichtung.
Die Umsetzung einer rotierenden Antriebskraft in eine Hin- und Herbewegung
einer Unwuchtmasse ist jedoch nicht unproblematisch und meist sehr
aufwendig.
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DE-A1-196
39 786 und DE-AS-1 191 754 offenbaren ein mechanisches Vibrationssystem
mit einer rotierenden Unwuchtmasse, deren Drehachse in Bezug auf
eine Antriebswelle um eine definierte Exzentrizität versetzt
angeordnet ist. Der Antrieb der Unwuchtmasse erfolgt über ein
Kurbelgetriebe mit einer Kurbelschleife oder einer Doppelkurbel.
Aufgrund der Exzentrizität
zwischen der Antriebswelle und der Drehachse der Unwuchtmasse führt letztere
bei konstanter Winkelgeschwindigkeit des Antriebs eine Rotation
mit ungleichmäßiger Winkelgeschwindigkeit aus,
so daß der
Betrag der Fliehkraft in einer bevorzugten Richtung stets größer ist
als in der entgegengesetzten Richtung. Die Exzentrizität, d.h.
der Abstand zwischen der Antriebswelle und der Drehachse der Unwuchtmasse
ist verstellbar, um die Kraftwirkung der Unwuchtmasse verschiedenen
Anforderungen anpassen zu können.
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Von
Nachteil hierbei ist, daß die
an einem Hebelarm gelagerte Unwuchtmasse und die kraftübertragende
Hebelmechanik relativ viel Platz einnehmen, insbesondere dann, wenn
zwei oder mehr Unwuchtmassen nebeneinander anzuordnen sind. Der Einbau
eines solchen Vibrationssystems in eine Baumaschine ist daher oft
sehr aufwendig, bei engen Platzverhältnissen gar unmöglich.
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Ziel
der Erfindung ist es, diese und weitere Nachteile des Standes der
Technik zu überwinden und
einen Schwingungserreger für
Baumaschinen zu schaffen, der verbesserte Verdichtungseigenschaften
und eine geringere Geräuschentwicklung
aufweist. Angestrebt wird ferner ein kompakter Aufbau, der bei geringen
Abmessungen eine hohe Vibrationsleistung erbringt.
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Hauptmerkmale
der Erfindung sind im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 angegeben.
Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 40.
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Bei
einem Schwingungserreger zum Erzeugen gerichteter Schwingungen,
mit wenigstens einer drehbar gelagerten Unwuchtmasse und mit wenigstens
einem motorisch angetriebenen Kraft-Übertragungselement, welches
die Unwuchtmasse derart bewegt, daß sich die Winkelgeschwindigkeit
der Unwuchtmasse während
jeder Umdrehung periodisch ändert
sieht die Erfindung laut Anspruch 1, vor, daß die Unwuchtmasse auf einer
drehbar gelagerten Unwuchtwelle angeordnet ist, daß das Kraft-Übertragungselement
mit einem Ende der Unwuchtwelle gekoppelt oder koppelbar ist, und
daß die
Mittelachse des Kraft-Übertragungselements
in einem Abstand exzentrisch zur Mittelachse der Unwuchtwelle angeordnet
ist.
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Eine
solche Anordnung läßt sich
gegenüber den
bislang bekannten Schwingungserregern äußerst kompakt realisieren,
insbesondere weil die Unwuchtmasse selbst und das Kraft-Übertragungselement
keine ausladenden Bewegungen mehr ausführen. Der Schwingungserreger
ist äußerst kompakt und
kommt mit nur wenigen bewegten Teilen aus. Der Einbau in eine Baumaschine,
beispielsweise einen Bodenverdichter oder eine Verdichterwalze ist problemlos
möglich.
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Darüber hinaus
wird der Betrag der von der Unwuchtmasse erzeugten Fliehkraft während einer Umdrehung
periodisch zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert verändert. Diese
Variabililtät kann
für verschiedenen
Zwecke genutzt werden. Beispielsweise läßt sich die Kraftwirkung der
Unwuchtmasse bei einer Bodenverdichtungsmaschine so gestalten, daß die Beschleunigung
in den Boden stets größer ist
als aus dem Boden heraus. Dementsprechend sind auch die in den Boden
gerichteten Kraftkomponenten stets größer als die in entgegengesetzter
Richtung wirkenden Kräfte.
Die gesamte Bodenverdichtungsmaschine wird kaum noch nach oben beschleunigt,
so daß die
Maschine eine stets optimale Bodenhaftung aufweist. Das Verdichtungsergebnis ist
gegenüber
herkömmlichen
Bodenverdichtern deutlich verbessert, insbesondere bei ansteigenden oder
abfallenden Bodenflächen. Überdies
wird die Lärmentwicklung
spürbar
verringert, weil die Maschine nicht mehr vom Boden abheben und damit
auch nicht mehr auf den Boden zurück fallen kann.
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Richtet
man die resultierende Kraftwirkung in einer anderen Raumrichtung
aus, z.B. in der Horizontalen, so läßt sich die Steigfähigkeit
der Bodenverdichtungsmaschine gezielt verbessern. Sollte sich diese
im bzw. am Bodenmaterial „festgesaugt" haben, läßt sich
die Maschine durch Drehen der maximalen Kraftkomponente aus dem
Boden heraus mühelos
befreien.
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Darüber hinaus
läßt sich
die Vibrationsfrequenz nahezu beliebig gestalten, insbesondere erhöhen, denn
die sich verstärkenden
Vibrationskräfte treten
nicht nur bei jeder zweiten Umdrehung auf, sondern bei jeder Umdrehung.
Die Größe der Unwuchtmasse
kann mithin bei gleicher Verdichtungsleistung deutlich kleiner gewählt werden,
was sich weiter günstig
auf die Baugröße und auch
auf das Gesamtgewicht der Maschine auswirkt.
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Weitere
Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
dem Wortlaut der Ansprüche
sowie aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der
Zeichnungen. Es zeigen:
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1 einen
Schwingungserreger im Längsschnitt,
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2 eine
schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform eines Schwingungserregers,
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3 eine
Schnittansicht des Schwingungserregers von 2 entlang
der Linie A-A,
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4 eine
Schnittansicht des Schwingungserregers von 2 entlang
der Linie B-B,
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5 eine
Ausführungsform
eines Schwingungserregers mit zwei Unwuchtmassen,
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6 eine
weitere Ausführungsform
eines Schwingungserregers mit zwei Unwuchtmassen,
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7 eine
Ausführungsform
eines Schwingungserregers mit einer Mehrfachanordnung von Unwuchtmassen,
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8 eine
schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Schwingungserregers,
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9 eine
Schnittansicht einer Ausführungsform
des Schwingungserregers von 8 mit einer
Schwungmasse,
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10 eine
Schnittansicht des Schwingungserregers von 9 entlang
der Linie A-A,
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11 eine
Schnittansicht des Schwingungserregers von 9 entlang
der Linie B-B,
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12 eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform des Schwingungserregers
von 8 mit einstellbarer Exzentrizität,
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13 eine
Darstellung des Schwingungserregers von 12 im
Längsschnitt,
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14 eine
Schnittansicht des Schwingungserregers von 13 entlang
der Linie A-A,
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15 eine
weitere Ausführungsform
eines Schwingungserregers mit zwei Unwuchtmassen im Längsschnitt,
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16 eine
Schnittansicht des Schwingungserregers von 14 entlang
der Linie A-A,
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17 eine
Schnittansicht des Schwingungserregers von 14 entlang
der Linie B-B,
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Der
in 1 allgemein mit 10 bezeichnete Schwingungserreger
kann beispielsweise in einer (nicht dargestellten) Bodenverdichtungsmaschine eingesetzt
werden, vorzugsweise einer Rüttelplatte oder
einer Verdichtungswalze. Er erzeugt mittels einer in einem Gehäuse 12 drehbar
gelagerten Unwuchtmasse 20 eine asymmetrische (nicht lineare) Schwingung,
die im Auflagerbereich der Maschine ein Verschieben und Verlagern
der Bodenpartikel bewirken, so daß Zwischenräume geschlossen und der Boden
verdichtet wird.
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Das
Gehäuse 12 wird
von einem Gehäusemittelteil 13 und
zwei Gehäuseendteilen 14, 15 gebildet,
die über
zwei senkrecht stehende Lagerplatten 16, 17 flanschartig
miteinander verbunden sind. In den Lagerplatten 16, 17 sind
Wälzlager 32, 42 ausgebildet,
in denen parallel übereinander
zwei Wellen 30, 40 drehbar gelagert sind. Eine
an dem Gehäusemittelteil 13 befestigte
Hakenöse 18 dient
zur besseren Handhabung des Schwingungserregers 10, beispielsweise
während
der Montage. Ein Sockel 19 trägt das Gehäuse 12 und verankert
dieses in der Bodenverdichtungsmaschine.
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Die
untere Welle 30 ist als Unwuchtwelle ausgebildet. Sie trägt mittig
zwischen den Lagerplatten 16, 17 auf ihrem Außenumfang
die Unwuchtmasse 20, die senkrecht zur Längs- bzw.
Mittelachse M der Welle 30 im Querschnitt als Halbzylinder
ausgebildet und mittels (nicht dargestellter) Schrauben drehfest
mit der Unwuchtwelle 30 verbunden ist.
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Die
obere Welle 40 bildet eine Antriebswelle, die über eine
Kupplung 43 mit einem Antriebsmotor 44 verbunden
ist. Hierbei handelt es sich bevorzugt um einen hydraulischen Motor
oder einen Verbrennungsmotor, der außen am Gehäuseendteil 14 montiert
ist. Man kann aber auch einen pneumatischen Antrieb oder einen Elektromotor
verwenden. Als weitere Alternative kann der Antrieb 44 über einen
(nicht gezeigten) Keil- oder Zahnriemenantrieb mit der Antriebswelle 40 in
Verbindung steht.
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In
der Ausführungsform
von 2 liegen die Wellen 30, 40 nicht
vertikal übereinander,
sondern horizontal nebeneinander. Zur bessern Übersicht sind die rechte Lagerplatte 16,
das Gehäuse 12 und weitere
Teile nicht dargestellt. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich jedoch – wie auch
in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen – stets
auf gleiche Bauteile.
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Um
die von dem Antriebsmotor 44 erzeugte Antriebskraft von
der Antriebswelle 40 auf die Unwuchtwelle 30 zu übertragen,
ist ein Kraft-Übertragungselement 52 vorgesehen.
Hierbei handelt es sich beispielsweise um ein Zahnrad, das axial-
und drehfest auf dem freien Ende 35 der Unwuchtwelle 30 montiert
ist. Das Zahnrad 52 bildet mit einem weiteren Zahnrad 54 ein
Getriebe 50, das beide Wellen 30, 40 gegenläufig miteinander koppelt.
Das weitere Zahnrad 54 liegt ebenso wie das Zahnrad 52 zwischen
dem Gehäuseendteil 14 und
der linken Lagerplatte 16. Es ist axial- und drehfest auf
dem freien Enden 45 der Antriebswelle 40 befestigt.
Beide Wellen 30, 40 sind zur senkrechten Ausrichtung
der Zahnräder 52, 54 in
Bezug auf die Mittelachsen M, m endseitig leicht konisch ausgebildet.
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Man
erkennt in 1, daß jedes Zahnrad 52, 54 mit
seiner Achse z bzw. Z exzentrisch zur Mittelachse M, m der jeweils
zugeordneten Welle 30 bzw. 40 angeordnet ist,
wobei der Abstand e der Achse z des ersten Zahnrades 52 zur
Mittelachse M der Unwuchtwelle 30 und der Abstand E der
Achse Z des zweiten Zahnrades 54 zur Mittelachse m der
Antriebswelle 40 bevorzugt gleich groß sind. Man kann die Abstände e, E
aber auch abhängig
von der Größe der Zahnräder 52, 54 variieren.
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Jedes
Zahnrad 52, 54 hat – wie insbesondere 3 zeigt – senkrecht
zu den Mittelachsen M, m der Wellen 30, 40 einen
unrunden Querschnitt, der so ausgebildet ist, daß die um die Exzentrizitäten e bzw. E
zur jeweiligen Mittelachse M, m der Wellen 30, 40 versetzt
angeordneten Zahnräder 52, 54 bei
Ihrer Rotation um die Wellenachsen M, m stets präzise miteinander kämmen.
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Setzt
man den Antriebsmotor 44 in Betrieb, so dreht sich die
Antriebswelle 40 und das daran festgelegte Zahnrad 54 mit
gleichmäßiger Winkelgeschwindigkeit.
Die Unwuchtwelle 30 und die daran befestigte Unwuchtmasse 20 hingegen
werden von dem Getriebe 50 und damit von dem Kraft-Übertragungselement 52 in
eine nicht-lineare, asymmetrische, d.h. nicht sinusförmige Schwingung
versetzt, wobei sich die Winkelgeschwindigkeit der Unwuchtmasse 20 während jeder
Umdrehung periodisch zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert verändert, d.h.
die Unwuchtmasse 20 wird – je nach Phasenlage in Bezug
auf die Zahnräder 52, 54 bzw. in
Bezug auf die Antriebsachse 40 – während jeder Abwärtsbewegung
beschleunigt und bei jeder Aufwärtsbewegung
wieder abgebremst, so daß die
nach unten in den Boden gerichtete Kraftkomponente (Fliehkraft)
stets größer ist
als die in entgegengesetzter Richtung wirkende Kraft.
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Dadurch
ist aber die in den Boden eingeleitete Energiedichte im Vergleich
zu den bekannten Bodenverdichtern deutlich höher, d.h. der erfindungsgemäße Schwingungserreger
weist deutlich verbesserte Verdichtungseigenschaften auf. Zudem
kann die Maschine nicht mehr vom Boden abheben, was sich günstig auf
den Einsatz in ansteigendem oder abfallendem Gelände auswirkt. Die Geräuschentwicklung wird
spürbar
verringert.
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Darüber hinaus
läßt sich
mit der erfindungsgemäßen Lösung im
Vergleich zu bekannten Bodenverdichtungsvorrichtungen, die mehrere
sinusförmige
Schwingungen überlagern,
eine sehr viel höhere Verdichtungsfrequenz
erzielen, denn die in den Boden gerichtete, maximale Kraftkomponente
tritt nicht nur in jeder zweiten Umdrehung, sondern während jeder
Umdrehung einmal auf. Es ist mithin möglich, ohne Verminderung der
in den Boden eingebrachten Energiedichte, die Größe der Unwuchtmasse 20 zu reduzieren,
was sich weiter günstig
auf die Baugröße und das
Maschinengewicht auswirkt. Der gesamte Schwingungserreger 10 ist äußerst kompakt
aufgebaut und läßt sich
selbst bei beengten Platzverhältnissen
problemlos in eine Bodenverdichtungsmaschine integrieren.
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Um
zu verhindern, daß sich
die ungleichförmige
Bewegung der Unwuchtmasse 20 auf den Antriebsmotor 44 überträgt, ist
der Schwingungserreger 10 mit einem Energiespeicher 90 ausgestattet.
Hierzu ist auf der Antriebswelle 40 zwischen dem Gehäuseendteil 15 und
der rechten Lagerplatte 17 ein weiteres Zahnrad 112 drehfest
angeordnet. Dieses kämmt
formschlüssig
mit einem Zahnrad 114, das mit einem Wälzlager 116 drehbar
auf dem rückwärtigen Ende 36 der
Unwuchtwelle 30 gelagert ist. Beide Zahnräder 112, 114 liegen
konzentrisch zu den Mittelachsen M, m der Wellen 30, 40 (siehe 4).
Sie haben zudem einen kreisrunden Querschnitt und bilden ein Getriebe 110 für den Antrieb
des Energiespeichers 90. Dieser ist als ringförmige Schwungmasse
ausgebildet und – ebenso
wie das Zahnrad 114 – mit
einem Wälzlager 96 drehbar
auf der Unwuchtwelle 30 gelagert. Das Zahnrad 114 und
die Schwungmasse 90 sind mittels Schrauben 92 fest miteinander
verbunden, so daß die
Schwungmasse 90 stets synchron mit der Unwuchtmasse 20 direkt von
dem Antriebsmotor 44 angetrieben wird.
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Das
Getriebe 110 ist bevorzugt ein Übersetzungsgetriebe mit einem Übersetzungsverhältnis, das
kleiner 1 ist. Dadurch dreht die Schwungmasse 90 stets
mit einer höheren
Drehzahl als der Antriebsmotor 44 und die Unwuchtmasse 20.
Sie kann mithin relativ klein gewählt werden, was sich wiederum günstig auf
das Gewicht und die Größe des Schwingungserregers 10 auswirkt.
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Ist
der Antriebsmotor 44 ein Elektromotor, so ist es zweckmäßig diesen
direkt an der schnellaufenden Schwungmasse 90 antreiben
zu lassen. Der Elektromotor 44 kann dann ebenfalls leichter
und preisgünstiger
ausgebildet sein.
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Die
Unwuchtmasse 20, die Wellen 30, 40, die
Getriebe 50, 110 und die Schwungmasse 90 liegen
innerhalb des Gehäuses 12 in
einem gemeinsamen Ölbad,
das neben einer ausreichenden Schmierung der bewegten Teile auch
für die
notwendige Wärmeabfuhr
sorgt.
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In
der Ausbildung von 5 ist der Schwingungserreger 10 als
Doppelwellenerreger ausgebildet. Hierzu ist unterhalb der Antriebswelle 40 eine weitere
Unwuchtwelle 60 vorgesehen, die eine weitere Unwuchtmasse 70 trägt. Diese
hat bevorzugt die gleiche Form und Größe wie die erste Unwuchtmasse 20.
Sie kann aber auch bei Bedarf kleiner oder größer gewählt werden.
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Die
Unwuchtwellen 30, 60 liegen symmetrisch zur Antriebswelle 40,
wobei das Getriebe 50 ein weiteres Unrund-Zahnrad 65 als
Kraft-Übertragungselement
aufweist, das wie das Zahnrad bzw. das Übertragungselement 52 mit
seiner Mittelachse z exzentrisch zur Mittelachse M der Unwuchtwelle 60 angeordnet
ist. Durch diese Anordnung werden die beiden Unwuchtmassen 20, 70 über das
Zahnrad 54 der Antriebswelle 40 gleichsinnig angetrieben.
Mit einer (nicht dargestellten) Phasenverstellvorrichtung kann man
bei Bedarf die Phasenlage der Unwuchtmassen 20, 70 relativ
zueinander verändern.
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Auch
bei diesem Ausführungsbeispiel
ist die Arbeitsfrequenz der Bodenverdichtungsmaschine doppelt so
hoch wie die Antriebsfrequenz. Bei vorgegebener Hubzahl kann man
daher mit relativ langsam drehenden Wellen arbeiten.
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Bei
der in 6 gezeigten Ausführungsform ist parallel neben
der Unwuchtwelle 30 eine zusätzliche Unwuchtwelle 65 mit
einer zusätzlichen
Unwuchtmasse 75 angeordnet. Man erkennt in 6, daß die zusätzliche
Unwuchtwelle 65 über
ein Zahnräder 82, 84 aufweisendes
Getriebe 80 mit der ersten Unwuchtwelle 30 gekoppelt
ist, wobei die Zahnräder 82, 84 zentrisch
zu den Längsachsen
M der Wellen 30, 65 angeordnet sind und gegenüber den
unrunden Zahnrädern 52, 54 des
Getriebes 50 kreisrunde Querschnitte aufweisen.
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Auf
diese Weise werden die Unwuchtmassen 20, 75 gegensinnig
umlaufend angetrieben, wobei sich dennoch die Winkelgeschwindigkeit
jeder Unwuchtmasse 20, 75 aufgrund des Kraft-Übertragungselements 52 mit
jeder Umdrehung periodisch zwischen einem Maximalwert und einem
Minimalwert ändert.
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7 zeigt
eine Mehrfach-Anordnung von drei Doppelwellenerregern 10 mit
parallel nebeneinander liegenden Unwuchtwellen 30, 65.
Die Unwuchtmassen 20, 75 weisen definierte Phasenbeziehungen
auf. Man kann aber auch – wie
in 7 zu sehen – eine
Abfolge von unterschiedlichen Kraftkomponenten erzeugen, die für eine verstärkte Verdichtung
in den Boden hinein sorgen.
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Mit
der (nicht gezeigten) Phasenverstellung kann man – je nach
Verdichtungsaufgabe – bei
Bedarf auch eine Änderung
der Wirkrichtung erzielen.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in 8 dargestellt.
Das Kraft-Übertragungselement 152 ist
als selbständig
rotierendes Mitnehmerelement ausgebildet, das mit dem freien Ende 35 der
in den Wälzlagern 32 der
Lagerplatten 16, 17 drehbar gelagerten Unwuchtwelle 30 in
Eingriff steht. Es hat einen insgesamt zylindrischen Außenumfang 153 sowie
eine zylindrische Aussparung 156, die beide koaxial zur
Achse z ausgebildet sind. Eine dem Gehäuseendteil 14 zugewandte
ebene Rückfläche 154 trägt – ebenfalls
koaxial zur Achse z – einen
Zapfen 140, der als Antriebswelle über eine (nicht dargestellte)
Kupplung unmittelbar mit einem (gleichfalls nicht gezeigten) Antriebsmotor
verbunden ist.
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Man
erkennt in 8, daß die Achse z des Mitnehmerelements 152 bzw.
die Mittelachse m der Welle 140 um den Abstand e versetzt
zur Mittelachse M der Unwuchtwelle 30 liegt, d.h. das Mitnehmerelement 152 ist
exzentrisch zur Unwuchtwelle 30 auf der Antriebswelle 140 gelagert,
die beide platzsparend versetzt hintereinander angeordnet sind,
wobei das insgesamt glockenförmig
ausgebildete Kraft-Übertragungselement 152 das
Ende 35 der Unwuchtwelle 30 übergreift.
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Innerhalb
der kreisrunden Aussparung 156 sitzt senkrecht zur Achse
z ein Mitnehmerarm 162. Dieser hat endseitig einen zylindrischen
Gelenkzapfen 164, der parallel zur Antriebswelle 140 ausgerichtet
ist und axialfest in einer seitlichen Ausnehmung 158 im
Mitnehmerelement 152 sitzt. Das freie Ende 166 des
um den Gelenkzapfen 164 schwenkbar gelagerten Mitnehmerarms 162 durchsetzt
das freie Ende 35 der Unwuchtwelle 30 und ist
quer zur Mittelachse M längsverschieblich
darin geführt (siehe 10).
Eine (nicht gezeigte) Gleitführung
oder Gleithülse
sorgt für
eine robuste und präzise
Führung des
Mitnehmerarms 162 innerhalb der Welle 30 sowie
für eine
stabile und nahezu spielfreie Kraftübertragung von der Antriebswelle 40 auf
die Unwuchtwelle 30.
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Dreht
man das Mitnehmerelement 152 (über den Antriebsmotor) mit
konstanter Winkelgeschwindigkeit, dreht die Unwuchtwelle 30 über den
darin gleitgeführten
Mitnehmerarm 162 zwangsläufig mit. Durch die exzentrische
Kopplung des Mitnehmerelements 152 mit der Unwuchtwelle 30 wird
jedoch die daran befestigte Unwuchtmasse 20 mit jeder Umdrehung
periodisch beschleunigt und wieder abgebremst, d.h. auch bei dieser
Ausführungsform
des Schwingungserregers 10 wird die Unwuchtmasse 20 mit
einer sich periodisch verändernden
Winkelgeschwindigkeit bewegt. Die z.B. nach unten gerichtete Kraftwirkung
ist dabei stets größer als
die entgegengesetzt nach oben wirkende Kraft, d.h. die Unwuchtmasse 20 erzeugt
eine asymmetrische (nicht lineare) Schwingung, die im Auflagerbereich
der Maschine für
eine stets optimale Bodenverdichtung sorgt.
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Um
die Wirkrichtung der erzeugten Rüttelkräfte, insbesondere
der maximalen Kraftkomponente in Bezug auf eine Vorzugsrichtung
verändern
zu können,
sieht die Ausführungsform
der 8 als Abwandlung vor, daß die Achse z des Mitnehmerelements 152 mit
konstantem Abstand e um die Mittelachse M der Unwuchtwelle 30 herum
versetzbar gelagert ist. Hierzu sitzt die bevorzugt mit dem Mitnehmerelement 152 einstückige Antriebswelle 140 exzentrisch
in einem kreisrunden Einsatz 170, der axialfest-drehbar
in der Wandung des Gehäuseendteils 14 gelagert
ist. Nicht näher
dargestellte Wälzlager
in der Wandung 14 und dem Einsatz 170 sorgen für eine reibungsarme
und stabile Führung.
Das Verdrehen des Einsatzes 170 erfolgt entweder von Hand über eine
(nicht gezeigte) Handhabe oder über
ein (ebenfalls nicht gezeichnetes) Stellglied, das elektrisch, hydraulisch
oder pneumatisch angetrieben sein kann. Je nach Anwendungsfall kann
man den kreisrunden Einsatz 170 auch permanent rotieren lassen,
so daß sich
die Kraftwirkung periodisch aber kontinuierlich ändert.
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Die
Ausführungsform
des Schwingungserregers 10 in 9 entspricht
im wesentlichen dem der Ausführungsform
von 8. Der Abstand e zwischen der Achse z des glockenförmigen Mitnehmerelements 152 und
der Mittelachse M der Unwuchtwelle 30 ist fest vorgegeben.
Ferner ist endseitig auf der Unwuchtwelle 30 eine Schwungmasse 90 drehbar
gelagert, um zu verhindern, daß sich
die ungleichförmige
Bewegung der Unwuchtmasse 20 auf den (hier nicht näher dargestellten)
Antriebsmotor überträgt.
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Für die Kopplung
der Schwungmasse 90 mit der Antriebswelle 140 ist
parallel zu dieser und zur Unwuchtwelle 30 eine weitere
Antriebswelle 240 vorgesehen, die in den Wälzlagern 42 der
Lagerplatten 16, 17 drehbar gelagert ist. Am antriebsseitigen
Ende 242 der Welle 240 ist ein Zahnrad 243 drehfest
montiert, das mit dem glockenförmigen
Kraft-Übertragungselement 152 kämmt. Letzteres
ist hierzu an seinem Außenumfang 153 mit
einem Zahnkranz 155 versehen. Man kann aber auch ein separates
Zahnrad vorsehen, das seitlich mit dem Element 152 verschraubt
ist.
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Auf
dem anderen Ende 244 der Welle 240 ist ein weiteres
Zahnrad 245 drehfest fixiert, das zusammen mit dem Zahnrad 114 der
Schwungmasse 90 das Getriebe 110 bildet. Das Zahnrad 114 sitzt
mit seinem (nicht sichtbaren) Wälzlager 116 drehbar
auf dem rückwärtigen Ende 36 der
Unwuchtwelle 30, das zugleich auch die Schwungmasse 90 drehbar
aufnimmt. Das Zahnrad 114 und die Schwungmasse 90 sind
fest miteinander verbunden, so daß die Schwungmasse 90 als
Energiespeicher stets synchron mit der Unwuchtmasse 20 über das
Kraft-Übertragungselement 152 angetrieben
wird. Das Getriebe 110 ist – wie in 11 angedeutet – auch hier
ein Übersetzungsgetriebe,
so daß die
Schwungmasse 90 stets schneller dreht als die Unwuchtmasse 20.
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Die 12 und 13 zeigen
einen Schwingungserreger 10 mit einer Einrichtung zum Verändern der
Exzentrizität
e zwischen der Achse z des Mitnehmerelements 152 und der
Mittelachse M der Unwuchtwelle 30. Die Antriebswelle 140 ist
axialfest-drehbar in einer Schwinge 180 gelagert, die zwei seitliche
Arme 182, 184 aufweist und schwenkbar auf der
Antriebswelle 240 sitzt (siehe 14). Der
erste Arm 182 nimmt die Antriebswelle 140 in einem
(nicht näher
bezeichneten) Drehlager auf, während
der zweite Arm 184 mit einem (nicht dargestellten) Betätigungsmechanismus
verbunden ist.
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Die
Unwuchtwelle 30 und die Antriebswelle 240 liegen
nicht vertikal übereinander,
sondern horizontal nebeneinander, so daß die Antriebswelle 140 durch
Verschwenken der Schwinge 180 relativ zur Unwuchtwelle 30 auf
einer Kreisbahn K auf und ab verschwenkt werden kann (14).
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
sind die Arme 182, 184 bezogen auf die Antriebswelle 240 gleich
lang. Wählt man
hingegen ein anderes Längenverhältnis der Arme 182, 184 lassen
sich der Kraftaufwand und das Ausmaß für das Verändern der Exzentrizität e gezielt einstellen
bzw. anpassen. Der (nicht gezeigte) Antriebsmotor 44 greift
bevorzugt an der Antriebswelle 240 an.
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In
der Ausführungsform
der 15 bis 17 sind
in dem Gehäuse 12 zwei
Unwuchtwellen 30 parallel nebeneinander gelagert. Jede
Welle 30 trägt
eine Unwuchtmasse 20 und ist endseitig mit einem eigenen
Kraft-Übertragungselement 152 axialfest
gekoppelt. Letztere sind an ihren Außenumfängen 153 als Zahnräder 155 ausgebildet,
die als Getriebe miteinander kämmen.
Dadurch werden die Unwuchtwellen 30 gegenläufig angetrieben.
Die von den Unwuchtmassen 20 erzeugten asymmetrischen Schwingungen überlagern
sich.
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Mit
einer (nicht dargestellten) Phasenverstellvorrichtung kann man auch
hier bei Bedarf die Phasenlage der Unwuchtmassen 20, 70 relativ
zueinander verändern.
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Die
Erfindung ist nicht auf eine der vorbeschriebenen Ausführungsformen
beschränkt,
sondern in vielfältiger
Weise abwandelbar. So können neben
den (Haupt-)Unwuchtmassen 20, 70, 75 auf den
Unwuchtwellen 30, 60, 65 eine oder mehrere weitere
(nicht gezeigte) Teil-Unwuchtmassen angeordnet sein, die relativ
zueinander verstellbar ausgebildet sind. Auf diese Weise läßt sich
der Schwingungshub (m·r-Wert)
verändern.
Mit einer nicht dargestellten Verstelleinrichtung läßt sich
ferner die Phasenlage zwischen den Haupt- und Teil-Unwuchtmassen
einstellen.
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In
einer weiteren Abwandlung kann man das Mitnehmerelement 152 mitsamt
der Antriebswelle 140 koaxial zur Unwuchtwelle 30 ausbilden,
was ebenfalls eine äußerst kompakte
Bauform ermöglicht.
Das gleiche gilt für
die Schwungmasse 90. Auch diese kann man bei Bedarf auf
einer eigenen Welle koaxial zur Unwuchtwelle 30 bzw. zur
Unwuchtmasse 20 ausbilden.
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Die
in den Ausführungsbeispielen
vorgesehenen Phasenverstellvorrichtungen lassen sich derart ausbilden,
daß der
Schwingungserreger 10 neben der gerichteten Schwingung
eine Vorwärts-
und/oder Rückwärtsbewegung
erzeugt, was beispielsweise bei einer Bodenverdichtungsmaschine
von Vorteil wäre.
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Anwenden
läßt sich
der erfindungsgemäße Schwingungserreger 10 nicht
nur in Baumaschinen zur Bodenverdichtung, sondern auch in anderen
Rüttelvorrichtungen
z.B. zum Einrütteln
oder Ziehen von Rammgut, wie Pfählen,
Spundbohlen, Rohren u.dgl. Anwendungen sind aber auch denkbar im
Transport- oder Verladebereich, der Umwelttechnik, in der Medizintechnik,
in Wellness-Bereichen u.dgl. mehr, eben überall dort, wo asymmetrische
Schwingungen bzw. gerichtete Kräfte
erforderlich oder nützlich
sein können.
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Man
erkennt, daß ein
Schwingungserreger 10 für
eine Baumaschine zum Erzeugen gerichteter Schwingungen wenigstens
eine drehbar gelagerte Unwuchtmasse 20 und wenigstens ein
um eine Achse z rotierend angetriebenes Kraft-Übertragungselement 52, 152 hat,
welches die Unwuchtmasse 20 derart bewegt, daß sich die
Winkelgeschwindigkeit der Unwuchtmasse 20 während jeder
Umdrehung periodisch ändert.
Die Unwuchtmasse 20 ist auf einer drehbar gelagerten Unwuchtwelle 30 angeordnet,
die endseitig mit dem Kraft-Übertragungselement 52, 152 gekoppelt
ist, wobei die Achse z des Kraft-Übertragungselements 52, 152 in
einem bei Bedarf veränderbaren
Abstand e zur Mittelachse M der Unwuchtwelle 30 angeordnet
ist.
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Die
Kraft-Übertragungselemente 52, 152 – ob im
Getriebe 50 oder als Kopplungselement 152 – sorgen
für eine
direkte und unmittelbare Kraftübertragung
von der Antriebswelle 40 auf die Unwuchtwelle 30,
ohne daß längsbewegliche
Bauteile vorhanden sind, durch die zusätzliche Drehmomente oder Hebelkräfte entstehen
können.
Die gesamte Vorrichtung 10 arbeitet stets zuverlässig, wobei
die Exzentrizität der
Mittelachsen zu den Drehachsen die wechselnde Beschleunigung der
Unwuchtmasse 20 erzeugt. Bei Bedarf kann das Getriebe 50 ein Über- oder
Untersetzungsgetriebe sein.
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Auch
bei einer Mehrwellen-Anordnung sorgen die Kraft-Übertragungselemente 52, 152 dafür, daß alle Unwuchtmassen 20, 70, 75 mit
Winkelgeschwindigkeiten umlaufen, die sich während jeder Umdrehung zyklisch
zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert ändern. Durch
eine Veränderung
der Phasenlage zwischen der ersten Unwuchtwelle 30 und
den weiteren Unwuchtwellen 60, 65 mittels einer
Phasenverstelleinrichtung können
die resultierenden Kräfte
gezielt gesteuert bzw. verändert werden.
Darüber
hinaus kann man bei Bedarf auch den Schwingungshub (m·r-Wert)
verändern.
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Der
Energiespeicher 90 sorgt dafür, daß sich die Beschleunigungs-
und Abbremsbewegungen der Unwuchtmassen nicht auf den Antriebsmotor übertragen
und diesen gegebenenfalls beschädigen
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Sämtliche
aus den Ansprüchen,
der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und Vorteile,
einschließlich
konstruktiver Einzelheiten, räumlicher
Anordnungen und Verfahrensschritten, können sowohl für sich als
auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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- e,
E
- Abstand
- K
- Kreisbahn
- m,
M
- Mittelachse
(Welle)
- z,
Z
- Achse
(Zahnrad)
- 10
- Schwingungserreger
- 12
- Gehäuse
- 13
- Gehäusemittelteil
- 14,
15
- Gehäuseendteil
- 16,
17
- Lagerplatte
- 18
- Hakenöse
- 19
- Sockel
- 20
- Unwuchtmasse
- 30
- Unwuchtwelle
- 32
- Wälzlager
- 35
- Ende
- 36
- Ende
- 40
- Antriebswelle
- 42
- Wälzlager
- 43
- Kupplung
- 44
- Antriebsmotor
- 45
- Ende
(antriebsseitig)
- 50
- Getriebe
- 52
- Kraft-Übertragungselement
- 54,
65
- Zahnrad
- 60
- weitere
Unwuchtwelle
- 65
- zusätzliche
Unwuchtwelle
- 70
- weitere
Unwuchtmasse
- 75
- zusätzliche
Unwuchtmasse
- 80
- Getriebe
- 82,
84
- Zahnrad
- 90
- Energiespeicher
- 92
- Schraube
- 96
- Wälzlager
- 110
- Getriebe
- 112,
114
- Zahnrad
- 116
- Wälzlager
- 140
- Zapfen/Antriebswelle
- 152
- Kraft-Übertragungselement
- 153
- Außenumfang
- 154
- Rückseite
- 155
- Zahnkranz
- 156
- Aussparung
- 158
- Ausnehmung
- 162
- Mitnehmerarm
- 164
- Gelenkzapfen
- 166
- Ende
- 170
- Einsatz
- 180
- Schwinge
- 182
- Arm
- 184
- Arm
- 240
- Antriebswelle
- 242
- Ende
- 243
- Zahnrad
- 244
- Ende
- 245
- Zahnrad